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农业机械学报 2016年第11期杂志 文档列表

农业机械学报杂志农业装备与机械化工程

基于选择性注意机制的果实簇识别与采摘顺序规划1-7

摘要：基于仿生学思想设计了一种果实簇识别与采摘顺序规划方法。该方法以Ini视觉注意基本模型为基础，通过改进视觉特征整合方法，构建依赖先验知识的视觉显著图，改善果实簇的识别效果；借鉴“赢者取全”的生物神经竞争机制和采摘专业人员的操作经验，设计距离、面积和显著度加权择优的采摘顺序规划策略，提高采摘工作效率。试验结果表明，设计的算法能够识别20余种常见果蔬，识别正确率达到93．36％；果实簇的采摘顺序规划结果符合人工采摘的专家经验。

基于球体模型的苹果接触点局部处理方式研究8-17

摘要：为实现新鲜果蔬采后预冷CFD数值模拟研究,以单个富士苹果为研究对象,构建果品近真实3D模型,在雷诺数为10~30 000的范围内对比真实果形与等直径球体壁面切应力、壁面阻力系数、边界层分离角度以及尾流回流区长度之间的不同,验证在CFD模拟研究中是否可直接利用等直径球体替代苹果真实形状。为实现果品与果品（或箱体壁面）接触点局部位置的最佳CFD建模,充分考虑果品之间局部传热性对温度变化的影响,本文以彼此接触的两果模型为研究对象,从壁面阻力系数、两果中心线上的温度模拟结果准确性角度确定4种不同的局部处理方式（缩小法、膨胀法、消平法和桥梁法）在不同雷诺数范围内各自最佳的局部处理尺寸范围。研究结果表明,在研究中可直接利用等直径苹果替代苹果真实形状,在整个雷诺数范围内两者之间的各种边界层物理量最大相对偏差在15%左右,桥梁法在4种接触点局部处理方式中模拟准确性最高,通过对比实验验证,温度模拟值与实测值具有较好的一致性,其最大均方根误差为1.514℃,平均相对误差在20%左右。

番茄图像保纹理降噪的各向异性动态扩散模型研究18-24

摘要：针对番茄图像进行各向异性扩散降噪研究。首先在2-范数梯度阈值计算方法基础上引入图像的局部灰度方差,提出了一种梯度阈值计算方法。其次采用结构相似性（SSIM）作为迭代停止准则,实现了迭代次数的自适应选取,构建出用于番茄图像保纹理降噪的各向异性动态扩散模型。最后在噪声标准差为5、10、15、20、25、30不同情况下,进行2组对比试验。第1组试验结果表明,采用SSIM作为迭代停止准则是有效的、稳定的。第2组试验从峰值信噪比（PSNR）和梯度模值相似性偏差（GMSD）两方面对降噪后的图像质量进行客观评价,并与P-M模型、2-范数模型相比较,结果是所提模型的PSNR平均值最高且GMSD平均值分别降低了15.5%、19.1%,说明采用所提模型降噪后的番茄图像降噪效果有所改进并且与原始图像比较接近;从视觉效果上,采用结果是所提模型降噪后的番茄图像纹理保留较多且清晰。因此,提出的各向异性动态扩散模型在降噪的同时保留了图像纹理,为番茄后期的品质检测奠定了基础。

基于图像分割映射的农业机器人视觉去雾方法25-31

摘要：视觉导航农业机器人在雾天作业容易受前端含雾图像的影响,严重时无法有效工作。提出了一种基于图像分割映射的农业机器人视觉去雾方法。对前端采集图像进行近景与远景区域分割,并通过亮度信息的分段映射获取大气散射函数的预测估计值;采用导向滤波对大气散射函数的估计值进行优化,进一步增强图像的边缘信息,改善大面积天空背景引起的去雾残留问题。基于实际的农业智能导航平台对实测的含雾前端图像进行了去雾分析,并同传统的去雾方法进行了综合比较,显示所提方法具有较高的去雾精度和实时性。两段视频的图像去雾综合指标分别改善了28.9%和29.1%,时间消耗分别减少了34.4%和53.9%。

基于视觉识别的小麦收获作业线快速获取方法32-37

摘要：针对小麦生长分布不均等情况下激光作业线检测系统精度偏低的问题,提出了基于视觉的小麦收获作业线快速获取的方法。通过对成熟期麦田的彩色图像进行对比度增强和降低亮度的处理,将其转换为灰度图像,利用阈值分割方法分离已收获与待收获区域,对二值图像采用互相关函数法检测已收获与待收获区域的分界点,利用Hough变换法拟合目标直线。所提方法在激光作业线识别系统的基础上扩大了视野范围,并限制了图像处理的范围,试验结果表明该方法对小麦收获作业线的检测结果平均偏差为2.35 cm,标准差为3.26,能够满足小麦收获导航线识别的要求,是一种有效的检测算法。

玉米精密播种技术研究进展38-48

摘要：简述了玉米精密播种技术在农业生产中的重要意义,指出采用精密播种技术是规模化生产实现节本增效的重要手段。从精密播种的不同功能实现角度,将玉米精密播种技术归纳为播种粒距均匀性控制技术和播深一致性控制技术两方面。详细阐述了保证播种粒距均匀的玉米单粒精密排种技术、种子平稳运移技术、种子精确定位技术和排种器驱动技术;分析了保证播深一致的必要性,阐述了播深一致性控制技术的研究历程。结合玉米精密播种技术国际研究动态,综述了玉米精密播种技术在智能化方面的最新研究进展,并结合我国生产现状指出了未来玉米精密播种技术的发展方向。

草莓穴盘苗移栽末端执行器设计与试验49-58

摘要：穴盘草莓的长苗、大苗株特点和弓背向外的特殊移栽要求，使其自动化移栽存在困难。首先进行了草莓苗坨的单指刺人力和拔苗阻力试验，进而提出并开展了有约束苗坨的双指夹拔破坏试验。试验发现双针取苗指的苗坨刺入阻力与刺人速度、深度、含水率相关，50mm和100mm深度的最大刺入阻力分别可达21．47N和57．09N。双指的夹茎拔苗阻力可达9．64N，而当取苗针滑移量为20mm和40mm时约束夹拔力分别可达10．85N和42．5N，但过大滑移量对精准可靠移栽极为不利。根据草莓穴盘苗的物理特性、苗坨的力学特性，设计了带双爪可同步换向变距的四针式移栽末端执行器。以有效缩减取苗爪宽度和摆动传动角为双重目标进行了多连杆定角斜插式双指四针取苗爪的非线性规划，得到了优化的机构参数。换向变距装置通过微型行程开关与微型电磁吸盘配合，实现了双取苗爪的快速同步换向变距和可靠定位。验证试验表明，在加速度不大于0．20mm／s。时取出率和取苗成功率分别在93％和90％以上，加速度过大则可能造成取苗针滑脱和苗坨下部断裂，换向变距装置有效解决了弓背朝外问题和相邻两列同时移栽的间距调整问题，栽苗试验中放苗顺利且直立度和深度均达到移栽要求，且移栽后10d草莓苗完全成活，该末端执行器可满足草莓穴盘苗的移栽作业需要。

温室穴盘苗自动移栽机设计与试验59-67

摘要：针对从高密度穴盘移植种苗到低密度穴盘,或者从穴盘直接移植种苗到花盆的温室穴盘苗移栽生产需要,设计了一种轻简型自动移栽机。利用成熟的直线模组和无杆气缸组合设计出自动移栽机械臂,驱动取苗末端执行器往复于来源盘和目标盘进行取苗、移苗、栽苗操作,采用双排链传动实现穴盘和花盆输送,对穴盘苗的夹取操作采用气动两指四针钳夹式夹钵取苗方法。根据所设计的移栽机工作要求,构建电气控制系统。试制样机,开展试验研究。采用直线位移传感器系统检测分析机器取苗移栽移位性能,结果显示对于128/72孔穴盘苗,移栽效率分别达到1221株/h和1025株/h,运用单样本t检验法分析得到实测取苗移位间隔与理论设定穴孔间隔无显著差别,标准差低于0.5,整机工作精度准确。以当地自行培育的种苗为移栽对象,进行温室穴盘苗移栽生产试验,对比分析自动取苗移栽效能,结果显示多种穴盘苗移栽成功率平均达到90.70%,苗钵夹取破碎率低于5%,自动取苗移栽效果较好。

非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构优化设计与试验68-73

摘要：针对现有水稻钵苗移栽机构结构复杂、成本高或工作效率低、振动大等问题,提出一种由1个不完全非圆齿轮、6个非圆齿轮和2个移栽臂组成的非圆齿轮行星轮系水稻钵苗移栽机构。分析了该移栽机构的工作机理,采用一种基于人机交互的参数优化方法,编制移栽机构的优化设计软件,得到一组实现水稻钵苗移栽较优工作轨迹和姿态的机构参数。建立移栽机构虚拟样机,研制移栽机构物理样机,开展虚拟样机运动仿真分析和物理样机高速摄影运动学试验,得到机构移栽臂的秧针尖点静轨迹和姿态。理论计算和实际测量得到的推秧角与取秧角角度差分别为53.52°与52.53°,误差为1.45%;仿真分析、试验测试结果与理论分析结果基本一致,验证了移栽机构设计方法和结果的正确性,以及机构应用于实际机器的可行性。

基于近等速机构的玉米全膜双垄沟穴播机设计与试验74-81

摘要：针对传统膜上播种机具作业存在的撕膜、挑膜、穴孔错位等问题,通过应用转动导杆机构与正弦机构进行串联,结合强排播种机构、直插播种装置及排种系统,设计了基于近等速机构的玉米全膜双垄沟直插式电动穴播机,并对其关键部件结构参数进行了设计。田间试验表明,通过近等速补偿机构与放大机构相配合,对直插播种装置进行控制、协调,实现了成穴器位于播种段与出土段的水平分速为零,穴孔布置及播种作业运动轨迹合理;强排播种机构能够实现成穴器扎入覆膜种床后的准确开启投种、快速闭合,可有效缓解膜下播种多粒、空穴与成穴器堵塞问题。作业机田间播种性能试验指标均达到了国家相关作业质量评价技术规范要求,与一代样机作业性能相比有较大改进与提升,符合玉米全膜覆盖双垄沟播的农艺技术要求。

双列交错勺带式马铃薯精量排种器优化设计与试验82-90

摘要：为提高马铃薯机械式排种器作业质量,满足精密播种要求,改进设计了双列交错勺带式马铃薯精量排种器,阐述分析了排种器总体结构及工作原理,优化了双勺交错排种总成、主动驱动总成和振动清种装置结构参数。为研究排种器最佳工作参数,以工作转速和振动幅度为试验因素,株间合格指数、重播指数和漏播指数为试验指标,进行了多因素二次正交旋转组合设计试验,建立了排种性能指标与试验参数间数学模型,运用Design-Expert6.0.10软件对试验结果进行处理分析,对回归模型进行优化验证。试验结果表明,当排种器工作转速为31.5 r/min,振动幅度为11.7 mm时,排种作业性能最优,其合格指数为89.92%,提高了19.9%,重播指数为5.12%,漏播指数为4.96%。田间适应性播种试验表明,排种器对不同尺寸类型马铃薯品种均具有良好的适应性。

正弦指数曲线型开沟刀片结构参数优化91-99

摘要：为获取正弦指数曲线型开沟刀片的最佳结构参数，依据正弦指数曲线方程和二次正交旋转中心组合设计方案，设计了15种型式的开沟刀片，并进行土槽试验。以弯折角、弯曲半径、切土角为影响因子，以功率消耗和沟深稳定性系数为响应值，利用Design—Expert8．0．6软件进行回归分析和响应面分析，探求单因子及交互因子对响应值的影响效应，并结合非线性优化计算方法，对正弦指数曲线型开沟刀片的结构参数进行优化计算。结果表明：在土壤坚实度为0．29MPa、土壤含水率16．2％的条件下，各因子对功率消耗的影响贡献由大到小为：弯折角、切土角、弯曲半径；对沟深稳定性系数的影响贡献由大到小为：切土角、弯折角、弯曲半径。优化所得正弦指数曲线型开沟刀片最佳结构参数：弯折角为86．75°，弯曲半径为12mm，切土角为13．8°，此时功率消耗理论最小值为32．32kW，沟深稳定性系数为95．6％，验证试验表明功率消耗最小值为34．27kW，沟深稳定性系数为92．82％，理论值与试验值误差小于10％，验证了回归模型的正确性。将优化前、后和现有开沟刀片在2种不同土壤条件下进行对比试验，结果表明优化后刀片的功率消耗比优化前分别下降4．28kW和4．23kW，沟深稳定性系数分别提高7．12个百分点和7．02个百分点，比现有开沟刀片下降7．68kW和6．91kW，沟深稳定性系数提高14．34个百分点和8．34个百分点。研究成果为正弦指数曲线型开沟刀片的优化设计提供了理论参考。

喷嘴直接注入式农药喷洒系统控制方法研究100-105

摘要：为了实现农药变量喷洒，准确计量和控制农药的注入速率和注入量很有必要。提出了一种喷嘴直接注入式系统（DNIS）原型，并在此基础上研究了农药喷洒量的控制方法。该系统应用快速响应电磁阀（RRV）向水中注入农药，RRV由100Hz的脉宽调制（PWM）信号驱动，通过改变PWM信号占空比调节农药注入速率。试验室环境下设计了基于比例-积分-微分（PID）算法的闭环控制策略，将农药注入速率快速稳定在设定值。通过试验测试了RRV、DNIS系统和PID控制器的工作性能。试验结果表明，采用RRV可准确计量农药注入速率，闭环控制策略可获得较稳定的农药速率控制效果，农药注入速率可在4s内达到设定值，注入速率的稳定性相对于没有控制策略有明显提高。

两段收获花生螺杆弯齿式轴流摘果装置设计与试验106-113

摘要：针对现有花生摘果装置普遍存在的摘果损伤率高且易缠绕、堵塞和排秧困难等问题,以及满足我国两段式花生收获的捡拾联合收获机摘果装置研究需要,在研究两段式花生收获方式下花生植株性状与特点基础上,设计了一种螺杆弯齿式轴流全喂入花生摘果装置,摘果作业时,花生植株受螺杆、弯齿和凹板筛共同作用下使花生荚果从花生茎秆上脱离,因螺杆有螺旋角、弯齿有倾角,花生植株沿摘果滚筒圆周运动的同时,受轴向分力作用排出机外,在保证高摘净率和低损伤率的同时避免植株在滚筒中缠绕和堵塞;对关键部件（螺杆、弯齿和凹板筛等）进行了设计与计算。以晾晒3~5d的辽宁主栽花生品种“花育30”为试验材料,以弯齿与滚筒母线夹角、弯齿弯角和螺杆与滚筒母线夹角为试验因素,以摘净率和破碎率为试验指标,运用回归正交旋转试验方法,对样机进行了两段收获条件下的摘果性能试验;建立试验因素与试验指标之间的数学模型并进行响应面优化试验分析,结果表明：在弯齿与滚筒母线夹角为33°、弯齿弯角为60°和螺杆与滚筒母线夹角为23°时,花生摘果综合指标最优,花生摘净率为98.96%,花生破碎率为0.88%,均优于行业标准,满足实际生产要求。

番茄秸秆与发酵菌种立式螺旋混合设备参数优化114-120

摘要：针对番茄秸秆基质化造肥处理过程中秸秆碎料与发酵菌种难以混合问题,提出立式螺旋混合搅拌装置。通过对物料的动力学分析、立式螺旋混合的离散元仿真分析和试验表明,混合3 min以后,混合变异系数小于10%,平均功耗小于0.078 1 k W,验证了对秸秆基质化处理的可行性;随搅拌叶片螺距增加,混合变异系数得到降低,功耗呈先增大后减小的趋势;随搅拌叶片转速的增加,混合变异系数同样得到降低,功耗呈大幅度提高的趋势;随填料高度的增加,混合变异系数和功耗呈增加趋势;影响混合变异系数的主次顺序依次为螺距、转速和填料高度。构建了混合变异系数与结构和工作参数的数学模型,并进行优化,得到当填料高度440 mm、转速30 r/min、螺距400 mm时,物料混合变异系数最优为4.3%;将离散元仿真功耗与试验值进行对比,误差均值为13.5%,验证了仿真结果的正确性。

小型轴向多点进气式饲料制粒调质器设计与试验121-127

摘要：为实现颗粒饲料小批量生产,研究了饲料制粒机调质器工作原理和结构特点,设计了一种与小型制粒机配套的轴向多点进气式调质器。以桨叶安装角、调质轴转速、喂料转速为影响因素,调质器生产率和调质后物料温度为评价指标,按照三因素五水平正交旋转组合试验设计方法,对轴向多点进气式调质器进行了作业参数优化试验。利用Design-Expert 8.0.6软件回归分析法和响应面分析法,建立了3个因素对调质器作业评价指标的数学模型。试验结果表明,此3个因素对调质器生产率和物料温度都具有显著相关性,显著水平分别为P〈0.01和P〈0.001;通过响应面法对最佳参数组寻优,得到调质器最佳作业参数组合：桨叶安装角为38.1°、调质轴转速为220.6 r/min、喂料转速17.4 r/min,此方案下,调质器生产率为12.7 g/s,调质后物料温度为65.0℃,此时调质器生产率较高、物料温度在要求的加工工艺范围内。样机加工试验表明,生产率为11.8 g/s,调质后物料温度为64.0℃。

锤片式饲料粉碎机分离装置设计与试验128-133

摘要：为了研究锤片式饲料粉碎机分离装置应具有的合理形状,通过计算物料沿外管壁运动时摩擦力所做的功,得到摩擦力做功最小时外管壁的曲线形状,并根据该形状制作了分离装置。利用ANSYS Workbench软件中的Fluent模块对改进前后分离装置内物料的运动规律进行气-固两相流模拟,比较2种分离装置内的玉米颗粒浓度及玉米颗粒速度分布情况。对2种分离装置的物料输送效果进行了实际粉碎试验,利用高速摄像技术对比2种分离装置内的玉米颗粒分布情况;在不同转速和喂料量的情况下比较2种分离装置对物料的运输分离效果。软件模拟和试验结果均表明：当转速在1 500~3 500 r/min间变化时,新分离装置比原分离装置出料量高0.18~0.3 kg/s。当转速一定时,喂料量越接近理论设计料量,新分离装置的出料量越高于原分离装置。当转速为2 500 r/min,喂料量为5kg时,二者出料量相差约0.01 kg/s。

分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪设计与试验134-141

摘要：针对强风时自动集沙仪测量精度和集沙效率受扰动问题，提出了分流对冲与多级扩容组合降速法，设计了分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪，阐述了风沙分离器和数据无线采集系统的设计原理，并对风沙分离器降速及分离性能、集沙仪抗强风干扰性能和集沙效率等进行了试验分析。结果表明，分流对冲与多级扩容组合式自动集沙仪具备了抗强风干扰性能，可实时、连续和远距离无线采集数据，自由旋转的起动风速为4．23m／s，等动力性为92．94％，平均集沙效率为90．42％，当风速低于18m／s时，粒径55．36μm以上的土样只要进入集沙仪，就可被完全收集；数据无线采集系统的供电续航能力达31h以上，无障碍时信号传输距离为208．51m，可较好地满足土壤风蚀量的自动观测需求。